RF 에서 Amplifier란

RF 증폭기는 입력된 RF 신호를 더 크게 만들어 주는 능동 회로로, 수동 소자인 필터나 매칭 회로, 감쇠기와 달리 DC 전원을 에너지로 사용하여 출력으로 재현한다. 송신단에선 변조된 RF 신호를 충분히 멀리 보내기 위해 PA가 필요하고, 수신단에선 안테나로 들어온 아주 작은 신호를 잡음과의 합성 속에서 가능한 한 낮은 잡음으로 증폭하는 블록은 LNA이다. 이처럼 RF 증폭기의 핵심은 단순한 이득이 아니라 입력 신호의 작은 변화가 DC bias로부터 에너지를 제어해 큰 RF 출력을 재현하는 과정이다. 트랜지스터로는 BJT와 FET가 제어 방식이 다르나 목표는 입력의 작은 변화를 큰 출력 전류나 전압으로 변환하는 점에서 같다.

Gain은 입력 대비 출력 규모를 뜻하고 전력 기준 이득은 Gain(dB) = 10 log10(Pout/Pin)으로 나타낸다. 전압 기준의 경우 Gain(dB) = 20 log10(Vout/Vin)이며 전압이 100배 증가하면 40 dB가 된다. 반면 Maximum Output Power는 증폭기가 실제로 낼 수 있는 최대 출력 전력으로, Gain과는 구분된다. 높은 이득이 반드시 큰 출력 전력을 낼 수 있는 것은 아니며, 출력 소자 용량과 전원, 부하 임피던스, 발열 등의 여건이 중요하다. 출력 전력은 출력 트랜지스터의 전류 용량, 전원 전압, 부하 임피던스, 냉각 능력, 선형성, 그리고 소자의 스펙에 의해 결정된다.

Gain을 키우는 방법은 보통 여러 증폭 단을 직렬로 연결하는 Cascade 구성이며, 각 단계의 이득을 더해 전체 이득이 결정된다. 출력 전력을 키우려면 마지막 출력단의 전력 처리 능력을 키워야 하며, 큰 출력 트랜스트 사용, 병렬 화, 전원 전압의 증가, Load-line 최적화, 출력 매칭 네트워크 최적화, 열 설계 강화, PA Class 선택 등의 방법이 합쳐진다. 다만 실제 설계에선 단순 병렬 연결만으로 끝나지 않고 소자 크기, 전류 용량, 전압 Swing, 부하 임피던스, 발열, 효율, 선형성까지 함께 고려된다.

RF Amplifier 설계의 핵심 포인트는 입출력 임피던스 결정과 매칭이다. 보통 50 Ω 시스템을 기준으로 하지만 트랜지스터가 항상 50 Ω을 원하는 것은 아니며 LNA와 PA는 목적에 따라 최적 임피던스가 다르다. LNA에선 최소 잡음 성능이 중요하고 Noise Matching과 입력 반사 감소를 위한 Power Matching 사이의 트레이드오프가 필요하다. PA에선 최대 출력 전력, 효율, 선형성이 중요하며 Load-pull로 최적 부하 임피던스를 찾는 것이 일반적이다. 송신 시 Max Power Match를 우선하거나 Efficiency Match를 우선하는 등 목표에 따라 임피던스를 선택한다.

RF 증폭기의 평가 시엔 단순한 Gain만이 아니라 S11, S22 같은 반사 특성, NF, P1dB, IP3, PAE, 안정성, 격리성 등 다양한 특성을 함께 확인해야 한다. 또한 LNA, PA, Driver, Buffer 등 용도에 따라 LNA의 저잡음 특성, PA의 출력 특성, 드라이버의 구동 능력, 버퍼의 임피던스 안정성 등이 구분된다. 종류로는 LNA, PA, Driver, Buffer, LPA, HPA, SSPA, BBA 등이 있으며 각기 다른 주파수 대역과 요구 성능에 맞춰 선택과 설계가 이루어진다. RF 증폭기 설계는 목표 성능에 맞는 최적 임피던스를 찾고, 스미스 차트와 매칭 회로로 해당 임피던스로 변환하는 과정을 거친다.